[发明专利]提供具有热稳定和易切换磁自由层的磁性结的方法和系统

说明书

本发明公开的方法和系统提供了一种可用在磁性器件中的磁性结。所述磁性结包括被钉扎层、无磁性隔离物层和自由层。无磁性隔离物层在被钉扎层和自由层之间。自由层包括多个子区域。每个子区域具有磁热稳定常数。这些子区域铁磁地耦合，使得自由层具有总的磁热稳定常数。磁热稳定常数是这样的，其使得每个子区域在操作温度下是磁热不稳定的。总的磁热稳定常数是这样的，其使得自由层在操作温度下是磁热稳定的。对磁性结进行配置，使得当写入电流通过该磁性结时自由层能够在多个稳定的磁性状态之间切换。

相关申请的交叉引用

本申请要求在2012年12月3日提交的美国专利申请No.13/691,873和在2013年9月13日提交的美国专利申请No.14/026,386的优先权，这些专利申请被全文引用在此以作参考。

技术领域

背景技术

磁性存储器，特别是磁性随机存取存储器（MRAM），由于其具有高读/写速度的潜力、卓越的耐久性、非易失性和操作期间的低功耗而吸引了不断增加的关注。MRAM能够利用磁性材料作为信息记录介质存储信息。一种MRAM的类型是自旋转移矩磁性随机存取存储器（STT-MRAM）。STT-MRAM利用磁性结至少部分地通过被驱动经过该磁性结的电流进行写入。被驱动经过磁性结的自旋极化电流对该磁性结中的磁矩施加自旋矩。从而，可以将具有响应于自旋矩的磁矩的一层（或多层）切换到期望的状态。

举例而言，图1描述了传统磁性隧道结（MTJ）10，其可以用于传统的STT-MRAM。传统的MTJ10通常驻留在底部接触件11上，使用（多层）传统的种子层12，并且包括传统的反铁磁（AFM）层14、传统的被钉扎层16、传统的隧穿势垒层18、传统的自由层20和传统的加盖层22。图1还示出了顶部接触件24。

传统的接触件11和24用于在垂直平面电流（CPP）方向中驱动电流，或者沿着图1所示的z轴方向驱动电流。通常利用（多层）传统的种子层12以辅助后续各层（例如，AFM层14）的生长，以具有期望的晶体结构。传统的隧穿势垒层18是无磁性的，并且例如是薄绝缘体（例如，MgO）。

传统的被钉扎层16和传统的自由层12是磁性的。传统的被钉扎层16的磁化17通常通过与AFM层14的磁化产生的交换偏置互感而被固定（或被钉扎）在特定方向上。虽然描述为简单的（单一）层，但传统的被钉扎层16可以包括多层。举例而言，传统的被钉扎层16可以是合成反铁磁（SAF）层，其包括通过诸如Ru之类的薄传导层反铁磁地耦合的多个磁性层。在这种SAF中，可以使用插入有薄Ru层的多个磁性层。在另一个实施例中，穿过Ru层的耦合可以是铁磁的。此外，传统的MTJ10的其他形式可以包括通过额外的无磁性势垒或传导层（未示出）与自由层20分离的额外的被钉扎层（未示出）。

传统的自由层20具有能够改变的磁化21。虽然描述为简单的层，但传统的自由层20还可以包括多层。举例而言，传统的自由层20可以是合成层，其包括通过诸如Ru之类的薄传导层反铁磁地或铁磁地耦合的多个磁性层。虽然示出为在平面内，但是传统的自由层20的磁化21可以具有垂直各项异性。因而，被钉扎层16和自由层20可以使其磁化17和21分别指向为与各层的平面垂直。

为了切换传统的自由层20的磁化21，垂直于平面（在z轴方向上）来驱动电流。当把足够的电流从顶部接触件24驱动至底部接触件11时，传统的自由层20的磁化21可以切换至平行于传统的被钉扎层16的磁化17。当把足够的电流从底部接触件11驱动至顶部接触件24时，自由层20的磁化21可以切换至反向平行于被钉扎层16的磁化17。磁性配置中的差异对应于不同的磁阻，因而对应于传统MTJ10的不同的逻辑状态（例如，逻辑“0”和逻辑“1”）。从而，通过读取传统的MTJ10的穿隧磁阻（TMR）可以确定传统的MTJ的状态。